柔性印刷線路板LED貼片點銀質量視覺檢測方法

沈陽工業大學視覺檢測技術研究所 張俊朋 苑瑋琦

柔性印刷線路板LED貼片點銀質量視覺檢測方法

沈陽工業大學視覺檢測技術研究所 張俊朋 苑瑋琦

柔性印刷線路板中貼片式LED燈的粘貼要經過點銀、貼片、封膠等工藝，其中點銀過程中會產生漏點銀、銀點偏位、銀點拉絲超標、銀點不夠圓等一系列質量問題。提出了一套基于機器視覺的點銀質量在線檢測方法:利用canny算子提取連接盤邊緣，并利用模板匹配對銀點所在連接盤進行定位；利用圖像增強，最大類間差法提取銀點；通過銀點與背景區域求交集以及可接受區域的濾除來檢測銀點拉絲超標缺陷。該方案已經應用在了生產線上并且具有較高的檢測準確率。

點銀缺陷；模板匹配；圖像增強

0　引言

柔性印刷線路板（FPC，Flexible Printed Circuit)不僅具有輕、薄、小等優點，其應用還非常廣泛，本文研究的FPC主要用在筆記本電腦鍵盤中的電路連通。鍵盤除了按鍵之外，還包括LED指示燈。其中LED指示燈的粘貼包括點銀、貼片和封膠三個步驟。本文研究點銀質量在線檢測方法,點銀過程要求銀點覆蓋連接盤滯留孔，覆蓋偏差不能超過0.2mm，銀點圓度在0.75以上，并且銀點拉絲不能超過0.1mm。實際操作過程中會出現漏點銀、銀點過大、銀點偏位、銀點拉絲超標、銀點不夠圓等缺陷。本文重點研究銀點拉絲超標的檢測方法。首先搭建硬件平臺，采集銀點圖像，然后通過本文提出的方法對點銀質量進行檢測。

1　連接盤外輪廓及滯留孔區域的提取

對點銀質量進行檢測前，需要先找到銀點，才能進行后續的處理，而銀漿點在連接盤上，為了縮減點銀質量檢測的范圍，排除鍵盤圖像中背景區域對點銀檢測不必要的干擾，選用未經點銀的連接盤外輪廓作為模板，通過基于形狀特征的模板匹配對點過銀的連接盤進行匹配定位。同時通過動態閾值提取連接盤上的滯留孔區域，計算滯留孔區域的面積，并通過面積特征作為檢測漏點銀的依據。

2　銀點的提取

獲取到模板之后，為了匹配的準確性，采用帶角度的基于形狀的模板匹配對連接盤進行定位，以減小檢測范圍，提高檢測速度。最大旋轉角度由放置印刷線路板的底板與流水線的最大夾角決定。原圖如圖1(a)所示。定位后圖像如圖1(b)所示。

由于成像時會出現光斑和連接盤連在一起的現象，如圖1(c)所示，如果直接進行閾值分割，會將與連接盤相連部分的光斑分割為連接盤區域，從而導致銀點提取不完整，影響后續銀點偏位與銀點拉絲超標缺陷的檢測。為了避免這一情況，在提取銀點之前對其進行預處理。

本文采取灰度值變換[1]這一圖像增強的方法來增強銀點圖像的局部對比度，使其不受背景變化的影響。增強后的圖像如圖1(d)所示。連接盤區域的灰度值達到255，但是與連接盤相連接的光斑周圍的灰度值明顯小于255。

對增強后的圖像通過固定閾值分割和4-鄰域標記法求取連通域，然后通過面積特征提取出只有連接盤部分的區域。通過將提取出的連接盤進行孔洞填充與圖像減法即可提取出二值化銀點，但是當銀點點偏時，會出現銀點越過連接盤邊界的情況，如圖1(e)所示，這時孔洞填充的方法已經不適合用來提取銀點區域。為了使銀點區域的提取不受銀點在連接盤所處位置的影響，利用增強后的圖像，提取銀點越過邊界時的連接盤區域，利用圖像減法[2],只得到銀點和背景區域，選取出銀點和背景區域所在的圖像如圖1(f)所示。

采用最大類間差法二值化圖像 1(g),最大類間差法所確定的閾值最大化類間方差，即：

式中HP為確定的最佳閾值，δb2(H) 為類間差，δb2(Hp) 為獲得的最大類間差。

f(x,y)是二值化之前的銀點圖像，二值化后的銀點圖像為：

二值化后的銀點圖像如圖1(g)所示，可以看到銀點圖像受到了背景區域的干擾。這時采用半徑為3的圓為結構元對二值化后的銀點圖像進行開運算。開運算不僅能平滑圖像而且能夠消除細小區域的干擾，處理結果如圖1(h)所示。

圖1　銀點提取過程圖

3　銀點拉絲超標檢測

在點銀機工作過程中的拉絲現象，會導致后續貼片過程中兩個銀點相連而出現LED短路問題，所以對銀點拉絲超標的檢測是點銀質量檢測的關鍵。銀點拉絲超標的定義是銀點出現拉絲，并且處于兩個銀點中間位置。正常銀點圖像如圖2(a)所示，銀點拉絲超標如圖2(b)所示。

本文采取的方法是利用提取出的銀點區域與背景區域求交集，此背景區域由被檢測圖像，如圖2(a)，減去模板匹配時得到的連接盤區域而獲得，背景區域如圖1(c)所示。然后利用最小外接矩形求交集的長度，通過長度判斷是否為銀點拉絲超標缺陷。

在統計學中，用矩來描述隨機變量的分布形態[3]，將矩的定義推廣到圖像中，把像素點值作為隨機變量值 f(x,y)，則(x,y)表示像素點的坐標，感興趣區域 R的 p+q 階矩如式(3)所示：

由(1)式可以得到感興趣區域的零階矩和兩個一階矩，零階矩如式(4)所示，兩個一階矩如式(5)、(6)所示：，如式(7)所示：

根據零階矩和一階矩，則可求出感興趣區域的質心

由以上各式，可求出區域的中心矩，如式(8)所示：

由p+q=2時的2階中心矩可以得到區域的長度信息。根據式(8)可求出u00，u02，u11等。由以上求得的各個參數即可獲得區域最小外接矩形的長度和寬度信息，即：

交集區域如圖2(d)中紅色區域所示。如果長度大于0.1 mm，則判為銀點拉絲超標。圖2(d)求出的銀點拉絲超標的長度為0.37 mm，故為銀點拉絲超標缺陷。

可接受區域的排除：

在點銀機工作過程中會出現銀點與背景有一定的交集，且交集長度達到了0.1mm，但是在缺陷評判標準里面屬于合格的現象，原圖如圖2(e)所示，經過檢測處理后得到如圖2(f)所示紅色區域，稱之為可接受區域。對可接受區域濾除所采取的方法及步驟為：

首先，用提取出的銀點拉絲區域與去掉拉絲的銀點區域求并集。去掉拉絲的銀點區域如圖2(g)所示，并集區域如圖2(h)所示。

其次，用去掉拉絲的銀點區域w，與并集區域b的圓度進行比較。其中圓度的定義為：

式中A為面積，r為區域中心到邊界的最大距離。

圖2　銀點拉絲超標檢測過程圖

若Cw＞Cb，則說明是真正的銀點拉絲超標，若Cw＜Cb，則說明是可接受區域。針對圖2(g)與圖2(h)，計算出的圓度分別為0.76與0.91，即Cw＜Cb，所以為可接受區域。通過以上方法即可排除可接受區域對銀點拉絲超標缺陷的誤判。

4　實驗結果

在工業現場對點銀質量檢測方法進行測試，所檢測的柔性印刷線路板上最少有1個LED指示燈，最多有3個LED指示燈，一個LED指示燈需要點兩個銀點，每塊底板上一般放置5至9塊柔性印刷線路板。從開始拍攝柔性印刷線路板圖像到檢測結果顯示，每塊底板上放置的柔性印刷線路板總的檢測時間最多不超過6s，經過現場對柔性印刷線路板1個月的不間斷測試，現針對板號為261的板型，提取其2個小時的不間斷測試結果，如表1所示。

表1　銀點拉絲超標和銀點偏位測試結果

5　結束語

與傳統剛性印刷線路板對焊錫多錫、少錫的檢測不同，本文主要針對柔性印刷線路板LED貼片點銀過程中的銀點拉絲超標缺陷，提出了一套完整的在線檢測方案，利用銀點與背景交集的長度判斷是否拉絲超標，同時兼顧可接受區域的排除，使銀點拉絲超標缺陷的檢測結果更加準確；經過理論分析與現場測試，所提方案的檢測精度和檢測速度均符合企業要求。

[1]Carsten S,Markus U,Christian W.機器視覺算法與應用[M].楊少榮,吳迪靖等譯.北京:清華大學出版社,2008:340-341.

[2]Rafael C Gonzalez,Richard E Woods.數字圖像處理(第三版) [M].阮秋琦譯.北京:電子工業出版社,2003:42-44.

[3]苑瑋琦,胡迪.利用矩實現植物葉片長寬的測量[J].計算機工程與應用,2013,49(16):188-191.